本文將現有的纖維纏繞工藝分為芯模纖維纏繞、無芯纖維纏繞和空間纖維纏繞。

1.1 芯模纖維纏繞

芯模纖維纏繞（Filament Winding，FW) 可分為傳統的纖維纏繞和機器人纖維纏繞。在傳統的纖維纏繞工藝中，纖維束通過樹脂浴缸后，利用控制輸送裝置的速度和芯模的轉速來牽引浸漬狀態的纖維束，使其以不同的角度纏繞在芯模上，之后浸漬后的纖維會在適當的時間和溫度條件下固化，從而形成纖維纏繞制品。傳統纖維纏繞工藝的原理圖如圖 1 所示，其中包括線軸架、樹脂浴缸和芯模等。

機器人纖維纏繞技術的特點是以傳統纖維纏繞技術為基礎，使用工業機器人來完成纖維纏繞。機器人纖維纏繞技術主要由芯模、放線裝置、工業機器人及輔助設備組成。機器人纖維纏繞技術采用多自由度的機械臂旋轉芯模或放線裝置等進行纖維纏繞，可分為兩種主要工作模式。一種是通過機械臂牽引纖維使其能夠纏繞固定在機床旋轉設備的芯模上；另一種是機械臂末端連接芯模，通過機械臂旋轉芯模，使纖維從纖維放線裝置中牽扯出并纏繞在芯模上，如圖2所示。

無芯纖維纏繞（Coreless Filament Winding，CFW)于2012年由斯圖加特大學的計算設計研究所（ICD) 和建筑結構與結構設計研究所（ITKE) 結合工程方法和計算機設計首次合作開發。這種新穎的機器人纖維纏繞技術是一種不需要芯模的建造方式，通常使用定制的鋼框架（或腳手架）作為支撐，同時根據結構的設計要求在這些鋼框架（或腳手架）上布置錨點。如圖3所示，無芯纖維纏繞的設備主要由工業機器人圖 3（a）和預制框架圖 3（b）組成。在建造過程中，機器人末端執行器牽扯經過樹脂浸漬的纖維長絲，然后按照既定的纖維纏繞語法和機器人運動規劃路徑不斷圍繞框架進行纖維纏繞動作；纖維材料隨著機器人末端執行器在兩錨點之間來回移動和自由跨越，并在錨點處形成纏繞節點；在一層一層地重復堆疊和鋪設纖維層后，最終形成具有多層纖維外殼的結構；待浸漬狀態的纖維固化后拆除框架（或腳手架），完成纖維纏繞構件的制造。

無芯纖維纏繞基于將纖維纏繞在預制框架的錨點上，以錨點為纏繞的節點，而空間纖維纏繞（Spatial Filament Winding，SFW) 則是在無芯纖維纏繞的基礎上，增加了纖維在空間中的纏繞。空間纖維纏繞通過將一根纖維纏繞在另一根纖維上的方式，使纖維之間的纏繞形成節點，如圖 4 所示。

無芯纖維纏繞通過纖維分層纏繞的方式實現了構件的建造，但各纖維的相互作用僅限于各纖維之間的表面接觸。空間纖維纏繞擴展了纏繞節點的概念，通過將各根纖維纏繞，創建具有多纖維相互作用的纏繞節點，進一步減少了對框架的依賴，從而可以創建具有多個空間纏繞點、大跨度的構件。空間纖維纏繞要求纖維在編織過程中能夠在空間中自由移動，因此需要多個系統協同工作和建造。如圖 5 所示，一種空間纖維纏繞的設備主要包括工業機器人和可移動的龍門架，龍門架上安裝有附帶錨點的剛性框架。空間纖維纏繞工藝在同一框架內可以創建各種幾何形狀形成多個纏繞節點，并引入了多步驟固化工藝，可以迭代制造連續的大型空間框架結構。

2 纖維纏繞建造技術

由于無芯纖維纏繞技術舍棄了傳統纖維纏繞所需的昂貴芯模，與傳統的纖維纏繞技術相比，其釋放了芯模原本占據的空間，具有應用到大尺寸建筑及其構件上的潛力。因此，國內外的一些學者也開始利用無芯纖維纏繞技術建造大跨度的建筑結構。本文將應用于建筑領域的無芯纖維纏繞技術定義為纖維纏繞建造技術。其主要面向實際的建筑工程領域，旨在利用無芯纖維纏繞技術實現大尺寸的纖維纏繞建筑及其構件的快速、精確和自動化建造。纖維纏繞建造系統主要包括纏繞材料系統、綜合計算系統和自主建造機器人系統，其結合了土木工程、材料科學、計算機技術、機械裝備及數控技術等多種學科和技術。

纖維纏繞建造技術的基本原理為：纖維纏繞建造技術以無芯纖維纏繞技術為基礎，通過綜合設計與計算生成纖維纏繞路徑規劃方案，采用建模手段對纖維纏繞建造過程進行虛擬仿真和纖維纏繞結構的性能計算，并根據仿真模擬結果對纖維纏繞路徑進行優化和迭代，同時將優化后的纖維纏繞路徑生成指令控制機器人進行纖維纏繞和編織，最終實現纖維纏繞結構的自動化建造。纖維纏繞建造技術采用仿真模擬和原型實驗相結合的方法，通過采用不同的纏繞材料和調整纖維鋪設層的密度，可實現大規模的裝配式或整體式纖維纏繞結構的自動化建造，具有快速、準確、自動化的建造特點。

最為典型的纖維纏繞建造技術的應用是德國斯圖加特大學 ICD/ ITKE 主導開發并不斷持續發展的無芯纖維纏繞研究項目。自 2012 年以來，ICD/ITKE 在輕質纖維增強復合材料領域研究的基礎上，討論了建筑結構新的設計策略和建造方法——無芯纖維纏繞技術，同時對其展開了持續的研究，重點關注纖維增強復合材料建筑的綜合計算設計以及模擬和建造工藝，并將纖維纏繞建造技術成功應用到了多個研究項目中。

纖維材料作為纏繞的原材料，對后續建造的纏繞建筑結構的外觀和性能有著非常重要的影響。纖維纏繞建筑結構通常是以碳纖維纏繞層為纏繞建造結構的承重結構，承受主要的荷載，彌補建筑結構強度、剛度不足的缺陷。而玻璃纖維纏繞層為纏繞建筑結構的外殼，并作為碳纖維纏繞的支撐層。

由樹脂基體與玻璃纖維、碳纖維等傳統增強纖維結合而成的復合材料具有良好的性能，并在纖維纏繞建筑結構中得到了大量使用。然而，其不可降解且不易回收利用而引起環境污染和資源浪費的問題愈發突出。在纖維材料體系中，天然植物纖維具有來源廣泛、價格低廉、對加工設備磨損小、環保可再生等優點，同時又具有強度高、模量大、質硬、耐摩擦、耐水泡等優異性能，在新型復合材料領域中扮演著越來越重要的角色。因此，一些學者也提出了利用天然植物纖維（如棉、麻、竹、木纖維等）作為纖維纏繞建造的原材料，旨在實現綠色、環保的可持續建造。

常用的纖維纏繞建造機械設備組合包括機械臂及能夠適應纖維纏繞需求的末端執行器、纏繞框架等。不同的結構設計要求可能需要確定不同的建造設備，如圖 3 和圖 6 所示。纖維纏繞建造由于面向大型的建筑工程領域，故一般采用大型的工業機器人作為主要的纏繞工具，如 KUKA 機械臂。常見的工業機器人的機械系統包括：機械臂、控制系統及手持操作編程器。同時，纖維纏繞建造需要根據設計要求和建筑結構形式進行機器人的運動路徑規劃。

機器人無芯纖維纏繞裝置如圖6所示，包括：①工業機器人；②紗架；③纖維張力機構；④機器人末端執行器；⑤卷繞架；⑥連續鋼管；⑦定位器；⑧H型鋼梁；⑨玻璃纖維；⑩碳纖維。纏繞框架上一般會設計錨點，可根據結構不同的承載要求來設計不同的錨點數量，如圖7（a）~（b）所示。纏繞框架的曲線可細分為足夠數量的錨點作為纖維材料固定和纏繞的節點，在纖維材料固化成型后再將框架拆除。此外，纏繞框架底部有時還會配置旋轉底盤。當完成結構一側的纏繞時，通過旋轉框架能夠使固定的機械臂繼續進行結構另一側的纖維纏繞，從而在有限的工作范圍內完成整個結構構件的建造，進一步提高了機械臂的靈活性。

近年來，建筑領域機器人建造的迅速發展為建筑設計和施工開辟了新的可能性。建筑機器人和纖維纏繞等技術結合產生的纖維纏繞建造新技術，通過采用以往不可行的工藝技術和材料，在建筑領域中成功地應用了纖維纏繞建造技術。

ICD/ITKE 展亭 2012 受仿生學原理啟發，將節肢動物外骨骼中的差異化纖維排列原理應用到纖維纏繞建造中，探索了制造過程中纖維相互作用的數字模擬以及碳纖維和玻璃纖維的離散化，以實現不同的剛度梯度，如圖 14 所示。ICD/ ITKE 展亭 2012 作為纖維纏繞建造技術應用的第一個研究項目，展示了纖維纏繞建造技術創建輕量級結構的巨大潛力。

為克服機器人裝置的工作空間的限制，ICD和ITKE 將可以進行遠程工作的無人機與作業范圍有限的工業機器人相結合，提出了一種利用自主無人機和工業機器人建造大跨度復合材料結構的多機協同建造系統。工業機器人負責纏繞纖維的牽引、拉緊和纏繞，而無人機在兩個工業機器人不能工作的范圍攜帶著纏繞纖維沿著模具進行傳遞，擴展了機器人的操作區域，輔助兩個工業機器人完成大跨度結構的纏繞編織，如圖 15（a）~（b）所示。該結構表明，可以通過協作的多機纖維纏繞建造技術，建造出一種能抵抗局部屈曲的堅固薄壁結構，適合大跨度結構和建筑的應用。

斯圖加特大學 ICD 和 ITKE 以鞘翅的形態學原理為基礎，探討了結合材料、結構、制造和形態發生原理的綜合計算設計方法的框架，對集成設計和數字化建造工藝進行了研究。該團隊利用纖維纏繞建造技術設計，且成功建造出了模塊化的部件，并將其組裝，形成了 ICD/ITKE 展亭 2013-14和 Elytra 展亭，如圖 16 所示。

從 2019 年到 2021 年，ICD 和 ITKE 陸續設計和建造了三個纖維纏繞建造項目，分別是 BUGA 纖維展館、纖維纏繞建造技術的研究與展望Maison 纖維展館和 Liv Mat S 展館。同時，這三個項目的研究目標截然不同，從高性能大跨度到混合建筑系統，再到替代纖維材料。這三個展館都是基于纖維纏繞組件裝配的建筑結構，均采用了數值模擬和原型構件力學測試雙重模擬的測試方法來證明建筑結構的安全性。

Andreas G?bert 等開展了旨在使用可持續纖維替代品的 3D Wood Wind 工藝。其利用連續的薄木板條作為纖維纏繞工藝中的纖維材料。該團隊使用粘合劑和纖維組成的材料系統，開發了纖維布局的計算設計方法和機器人制造方法，成功制造了中空的輕質部件。該團隊還通過幾個制造案例研究展示了 3D Wood Wind制造能力，為建筑行業中的可能應用和未來的研究提供可能性，如建筑和結構組件、家具、柱子、橫梁、樓板或立面組件等可能的應用，如圖 20 所示。

本文通過對纖維纏繞工藝的介紹，尤其是對纖維纏繞建造的基本原理、材料系統、機械設備、關鍵技術及其主要應用進行了梳理和歸納，得到了如下三個結論。

縱觀國內外現有的纖維纏繞建造方法及其應用，無不體現了其在建筑領域上的潛力和適應性。部分學者和機構雖然也取得了一定的研究結果，但仍然存在著一些問題，包括材料、機械、計算機設計和數值模擬等方面的問題和挑戰。針對未來纖維纏繞建造的研究，本文提出以下幾個研究思路和展望。

雖然目前纖維纏繞建造技術可通過自主建造機器人實現結構的自動化建造，但其智能化程度還有待提高。如固定的工業機器人相對于可移動的機器人靈活性較差，采用多機協同建造是未來纖維纏繞智能建造發展的方向之一。此外，大部分有關纖維纏繞建造的研究沒有涉及建造過程及運營階段的監測，因此，有必要結合自動化監測手段和可視化方法對纖維纏繞結構的建造過程進行實時監測及纖維纏繞結構的生命周期評估。

大多數有關纖維纏繞建造的研究所用的材料還是以玻璃纖維和碳纖維為主，而其不可降解且不易回收利用的特點容易引起環境污染和資源浪費問題。因此，在后續纖維纏繞建造的研究中，研究者需要關注纖維材料的回收再利用。植物纖維增強復合材料在新型復合材料領域中扮演著越來越重要的角色。應用植物纖維代替傳統增強纖維用于纖維纏繞建造技術，可在保證結構性能要求的基礎上有效緩解環境破壞和資源危機。

目前，纖維纏繞建造尚未形成統一的標準和規范體系，在技術標準和社會經濟效益評價方面基本處于空白。因此，為了使纖維纏繞建造技術的應用成熟化，研究制定一整套技術標準和評判體系是必要的，包括材料性能標準、機械設備標準、技術和結構評估標準等。

現在，大多數纖維纏繞建造的應用僅局限于觀賞性建筑，距離真正應用服務于人類生活的纖維纏繞建筑還有較大的差距。因此，研究者需要擴展纖維纏繞建筑的應用場景，使其不再局限于觀賞藝術類建筑，同時，這也提高了建筑結構的復雜性，需要更加精確的設計和模擬，以促進該技術的快速發展和廣泛應用。

參考資料

[1]李雄彬,周燕,周誠.纖維纏繞建造技術的研究與展望[J].土木建筑工程信息技術,2024,16(02):1-11.DOI:10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2024.02.01.